C616型普通车床说明书.docx
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C616型普通车床说明书
目录
序言--------------------------------------------------------------------------------------3
一、设计方案的确定-----------------------------------------------------------------4
（一）设计任务------------------------------------------------------------------------4
（二）总体设计方案的确定---------------------------------------------------------4
二、机械部分改造与设计------------------------------------------------------------4
（一）纵向进给系统的设计与计算------------------------------------------------4
（二）横向进给系统的设计与计算------------------------------------------------10
三、步进电机的选择------------------------------------------------------------------13
（一）步进电机选用的基本原则---------------------------------------------------13
（二）步进电机的选择---------------------------------------------------------------14
四、机床导轨改造---------------------------------------------------------------------15
五、自动转位刀架的选用------------------------------------------------------------16
六、经济型数控机床改造时数控系统的选用------------------------------------17
七、典型零件的工艺设计及应用程序的编制------------------------------------18
（一）工艺分析------------------------------------------------------------------------18
（二）工作坐标系的设定------------------------------------------------------------19
（三）手动钻孔------------------------------------------------------------------------19
（四）编制加工程序------------------------------------------------------------------19
小结---------------------------------------------------------------------------------------21
一、设计方案的确定
C616型车床是一种加工效率高，操作性能好，社会拥有量大的普通车床。
实践证明，把这种车床改造为数控车床，已经收到了良好的经济效果。
（一）设计任务
本设计任务是对C616普通车床进行数控改造。
利用微机对纵横进给系统进行开环控制。
纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。
（二）总体设计方案的确定
由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能减少，以降低成本.根据C616车床有关资料以及数控车床的改造经验，确定总体方案为:
采用微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲。
经一级齿轮减速后,带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。
二、机械部分改造设计与计算
1．纵向进给系统的设计
经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。
步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。
对车床改造来说，外观不必象产品设计要求那么高，而从改造方便、实用方面来考虑，一般把步进电机放在纵向丝杠的右端。
2．纵向进给系统的设计计算已知条件：
工作台重量：
W=80kgf=80N（根据图纸粗略计算）
时间常数：
T=25ms
滚珠丝杠基本导程：
L0=6mm
行程：
S=640mm
脉冲当量：
δp=0.01mm/step
步距角：
α=0.75°/step
快速进给速度：
Vmax=2mm/min
（1）切削计算由〈〈机床设计手册〉〉可知，切削功率
Nc=NηK
式中N——电机功率，查机床说明书，N=4KW；
η——主传动系统总效率，一般为0.6～0.7取η=0.65；
K——进给系统功率系数，取为K=0.96。
则：
Nc=4×0.65×0.96=2.496KW
又因为
NC=
FZ=
所以
式中v——切削线速度，取v=100m/min。
主切削力
FZ=152.76（kgf）=1527.6（N）
由〈〈金属切削原理〉〉可知，主切削力
FZ=CFzapxFzfYFzKFz
查表得：
CFz=188kgf/mm21880Mpa
XFz=1YFz=0.75KFz=1
则可计算FZ如表
（1）所示：
表
（1）FZ计算结果
ap（mm）
2
2
2
8
8
8
f（mm）
0.2
0.3
0.4
0.2
0.3
0.4
FZ（N）
1125
1524
1891
1687
2287
2837
当FZ=1520N时，切削深度ap=2mm,走刀量f=0.3mm，以此参数做为下面计算的依据。
从〈〈机床设计手册〉〉中可知，在一般外圆车削时：
FX=（0.1～0.6）FZFZ=（0.15～0.7）FZ
取：
FX=0.5FZ=0.5×1527.6=763.8N
FY=0.6FZ=0.6×1527.6=916.5N
（2）滚珠丝杠设计计算
综合导轨车床丝杠的轴向力：
P=KFX+f′（FZ+W）
式中K=1.15，f′=0.15～0.18，取为0.16。
则
P=1.15×763.8+0.16×（1527.6+800）=1250.8N
1）强度计算：
寿命值L1=
n1=
=
取工件直径D=80mm,查表得TI=15000h
则：
n1=
=20r/min
L1=
=18
最大动负载Q=
查表得：
运转系数fw=1.2硬度系数fH=1
则
Q=
×1.2×1×1250.8=39933.6N
根据最大动负载Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。
例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取FC1B系列，滚珠丝杠直径为φ32mm,型号为FC1B32×6—5—E2，其额定动载荷是10689N，所以强度足够用。
2）效率计算：
根据〈〈机械原理〉〉的公式，丝杠螺母副的传动效率η为：
η=
式中摩擦角ψ=10′ 螺旋升角γ=3°25′
则
η=
3）刚度验算：
滚珠丝杠受到工作负载P引起的导程的变化量
△L1=±
式中L0=6mm=0.6cm；
E=20.6×166N/cm2。
滚珠丝杠截面积F=（
）2π=（
）2×3.14
则
△L1=±
=±5.9×10-6㎝
滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量△L2很小,可忽略,即：
△L=△L1。
所以：
导程变形总误差△为
△=
=
×5.9×10-6=9.8μm/m
查表知E级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15μm/m，故刚度足够。
4）稳定性验算：
由于机床原丝杠直径为φ30mm，现选用的滚珠丝杠直径为φ32mm，支承方式不变，所以稳定性不存在问题。
（3）齿轮及转距的有关计算
1）有关齿轮计算
传动比
i=
=
=1.25
故取Z1=32mmZ2=40
m=2mmb=20mmα=20°
d1=mZ1=2×32=64mm
d2=mZ2=2×40=80mm
dα1=d1+2ha*=68mm
dα2=d2+2ha*=84mm
α=
=
=72㎜
2）转动惯量计算
工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：
J1=（
）2W=（
）2×80=0.468㎏·㎝2
=4.68N·㎝2
丝杠的转动惯量：
JS=7.8×10-4×D4L1=7.8×10-4×3.24×140.3
=11.475㎏·㎝2=114.75N·㎝2
齿轮的转动惯量：
JZ1=7.8×10-4×6.44×2=2.617㎏·㎝2=26.17N·㎝2
JZ2=7.8×10-4×84×2=6.39㎏·㎝2=63.9N·㎝2
电机转动惯量很小可以忽略。
因此,总的转动惯量：
J=
（JS+JZ2）+JZ1+J1
=
（11.475+6.39）+2.617+0.468
=14.519㎏·㎝2=145.19N·㎝2
3）所需转动力矩计算
快速空载启动时所需力矩
M=Mamax＋Mf＋M0
最大切削负载时所需力矩
M=Mat＋Mf＋M0＋Mt
快速进给时所需力矩
M=Mf＋M0
式中Mamax——空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；
Mf——折算到电机轴上的摩擦力矩；
M0——由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；
Mat——切削时折算到电机轴上的加速度力矩；
Mt——折算到电机轴上的切削负载力矩。
Ma=
×10-4N·m
当n=nmax时Mamax=Ma
nmax=
=
=416.7r/min
Mamax=
×10-4=2.52N·m=25.72㎏f·㎝
当n=nt时Ma=Mat
nt=
=
=
=24.88r/min
Mat=
×10-4=0.1505N·m=1.536㎏f·㎝
Mf=
=
当η0=0.8f′=0.16时
Mf=
=1.223㎏f·㎝
M0=
（1-η02）
当η0=0.9时预加载荷P0=
Fx则：
M0=
=
=0.462㎏f·㎝=4.62N·㎝
Mt=
=
=7.297㎏f·㎝=72.97N·㎝
所以,快速空载启动时所需力矩：
M=Mamax＋Mf＋M0
=25.72＋1.223＋0.462=27.405㎏f·㎝
=274.05N·㎝
切削时所需力矩：
M=Mat＋Mf＋M0＋Mt
=1.536＋1.223＋0.462＋7.297=10.518㎏f·㎝
=105.18N·㎝
快速进给时所需力矩：
M=Mf＋M0=1.223＋0.462=1.685㎏f·㎝
=16.85N·㎝
由以上分析计算可知：
所需最大力矩Mmax发生在快速启动时，
Mmax=27.405㎏f·㎝=274.05N·㎝
（二）横向进给系统的设计和计算
1.横向进给系统的设计
经济型数控改造的横向进给系统的设计比较简单,一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠,使刀架横向运动。
步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。
2．横向进给系统的设计和计算
由于横向进给系统的设计和计算与纵向类似，所用到的公式不再详细说明，只计算结果。
已知条件：
工作台重（根据图纸粗略计算）W=30㎏f=300N
时间常数T=25ms
滚珠丝杠基本导程L0=4㎜左旋
行程S=190㎜
脉冲当量δp=0.005㎜/step
步距角α=0.75°/step
快速进给速度vmax=1m/min
（1）切削力计算横向进给量为纵向的1/2～1/3，取1/2，则切削力约为纵向的1/2
FZ=0.5×152.76=76.38㎏f=763.8N
在切断工件时：
Fy=0.5FZ=0.5×76.38=38.19㎏f=381.9N
（2）滚珠丝杠设计计算
1）强度计算：
对于燕尾型导轨：
P=KFy＋f′（Fz＋W）
取K=1.4f′=0.2
则
P=1.4×38.19＋0.2（76.38＋30）
=74.74㎏f=747.4N
寿命值
L1=
=
=13.5
最大动负载
Q=
=
=213.55㎏f=2135.5N
根据最大动负载Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。
例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取FC1B系列，滚珠丝杠公称直径为φ20㎜，型号为FC1B20×4—5—E2左，其额定动负载为5393N，所以强度足够用。
2）效率计算：
螺旋升角γ=3°38′，摩擦角ψ=10′
则传动效率
η=
=
=0.956
3）刚度验算：
滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量
△L1=±
=±
=±
5.96×10-6㎝
滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量△L2很小，可忽略， 即：
△L=△L1所以导程变形总误差为
△=
查表知E级精度丝杠允许的螺旋误差（1m长）为15μm/m，故刚度足够。
4）稳定性验算：
由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支承方式由原来的一端固定、一端悬空，一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不再验算。
（3）齿轮及转矩有关计算
1）有关齿轮计算
传动比i=
故取Z1=18Z2=30
m=2㎜b=20㎜α=20°
d1=36㎜d2=20㎜
dα1=40㎜dα1=64㎜
a=48㎜
2）传动惯量计算
工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：
J1=
㎏·㎝2
丝杠的转动惯量：
JS=7.8×10-4×D4L1=7.8×10-4×24×50=0.624㎏·㎝2
齿轮的转动惯量：
JZ1=7.8×10-4×3.64×2=0.262㎏·㎝2
JZ2=7.8×10-4×64×2=2.022㎏·㎝2
电机转动惯量很小可以忽略。
因此，总的转动惯量：
J=
=1.258㎏·㎝2
3）所需转动力矩计算
nmax=
Mamax=
N·m=2.23㎏f·㎝
nt=
=33.17r/min
Mat=
=0.0174N·m=0.1775f·㎝
Mf=
=
=
0.287㎏f·㎝=0.028N·m
M0=
0.116㎏f·㎝=0.011N·m
Mt=
1.824㎏f·㎝=0.182N·m
所以，快速空载启动时所需转矩：
M=Mamax＋Mf＋M0
=2.23＋0.287＋0.116=2.633㎏f·㎝=26.33N·㎝
切削时所需力矩：
M=Mat＋Mf＋M0＋Mt
=0.1774＋0.287＋0.116＋1.824
=2.404㎏f·㎝=24.04N·㎝
快速进给时所需力矩：
M=Mf＋M0=0.287＋0.116
=0.403㎏f·㎝=4.03N·㎝
从以上计算可知：
最大转矩发生在快速启动时，Mmax=2.633㎏f·㎝=26.33N·㎝
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